Forskere afbilder ladningsfordelingen inden for et enkelt molekyle for første gang

(PhysOrg.com) -- IBM-forskere var for første gang i stand til at måle, hvordan ladning er fordelt inden for et enkelt molekyle. Denne præstation vil muliggøre grundlæggende videnskabelig indsigt i enkelt-molekyle skift og bindingsdannelse mellem atomer og molekyler. Desuden, det introducerer muligheden for at afbilde ladningsfordelingen inden for funktionelle molekylære strukturer, som lover meget for fremtidige applikationer såsom solfotokonvertering, energilagring, eller computerenheder i molekylær skala.

Som rapporteret i journalen Natur nanoteknologi , videnskabsmænd Fabian Mohn, Leo Gross, Nikolaj Moll og Gerhard Meyer fra IBM Research - Zurich afbildede direkte ladningsfordelingen inden for et enkelt naphthalocyanin-molekyle ved hjælp af en speciel form for atomkraftmikroskopi kaldet Kelvin-probekraftmikroskopi ved lave temperaturer og i ultrahøjt vakuum.

Hvorimod scanning tunneling microscopy (STM) kan bruges til at afbilde elektronorbitaler af et molekyle, og atomkraftmikroskopi (AFM) kan bruges til at løse dens molekylære struktur, indtil nu har det ikke været muligt at afbilde ladningsfordelingen inden for et enkelt molekyle.

"Dette arbejde demonstrerer en vigtig ny evne til direkte at kunne måle, hvordan ladning arrangerer sig selv i et individuelt molekyle", siger Michael Crommie, Professor i kondenseret stoffysik ved University of Berkeley. "Forståelse af denne form for ladningsfordeling er afgørende for at forstå, hvordan molekyler fungerer i forskellige miljøer. Jeg forventer, at denne teknik vil have en særlig vigtig fremtidig indvirkning på de mange områder, hvor fysik, kemi, og biologi krydser hinanden."

Faktisk, den nye teknik sammen med STM og AFM giver supplerende information om molekylet, viser forskellige egenskaber af interesse. Dette minder om medicinske billedbehandlingsteknikker såsom røntgen, MR, eller ultralyd, som giver supplerende information om en persons anatomi og helbredstilstand.

"Teknikken giver en anden kanal af information, der vil fremme vores forståelse af nanoskalafysik. Det vil nu være muligt at undersøge på enkeltmolekyleniveau, hvordan ladning omfordeles, når individuelle kemiske bindinger dannes mellem atomer og molekyler på overflader. Dette er vigtigt, da vi søger at bygge atomare og molekylære enheder, ” forklarer Fabian Mohn fra Physics of Nanoscale Systems-gruppen hos IBM Research – Zürich.

Teknikken kunne for eksempel bruges til at studere ladningsadskillelse og ladningstransport i såkaldte ladningsoverførselskomplekser. Disse består af to eller flere molekyler og er genstand for intens forskningsaktivitet, fordi de lover meget for applikationer som energilagring eller solcelleanlæg.

Gerhard Meyer, en senior IBM-videnskabsmand, der leder STM- og AFM-forskningsaktiviteterne hos IBM Research - Zurich tilføjer:"Det nuværende arbejde markerer et vigtigt skridt i vores langsigtede indsats for at kontrollere og udforske molekylære systemer på atomær skala med scanning probemikroskopi." fremragende arbejde på området, Meyer modtog for nylig et European Research Council Advanced Grant. Disse prestigefyldte stipendier støtter "de allerbedste forskere, der arbejder ved grænserne for viden" i Europa.*

Ser nærmere på

For at måle ladningsfordelingen, IBM-forskere brugte et afkom af AFM kaldet Kelvin probe force microscopy (KPFM).

Når en scanningssondespids placeres over en ledende prøve, et elektrisk felt genereres på grund af de forskellige elektriske potentialer af spidsen og prøven. Med KPFM kan denne potentialforskel måles ved at påføre en spænding, således at det elektriske felt kompenseres. Derfor, KPFM måler ikke den elektriske ladning i molekylet direkte, men snarere det elektriske felt, der genereres af denne ladning. Feltet er stærkere over områder af molekylet, der er ladet, fører til et større KPFM-signal. Desuden, modsat ladede områder giver en anden kontrast, fordi retningen af ​​det elektriske felt er omvendt. Dette fører til de lyse og mørke områder i mikrofotografiet (eller røde og blå områder i farvede).

Naphthalocyanin, et krydsformet symmetrisk organisk molekyle, som også blev brugt i IBMs enkeltmolekyle logiske switch**, viste sig at være en ideel kandidat til denne undersøgelse. Den har to brintatomer, der er modsat hinanden i midten af ​​et molekyle, der kun måler to nanometer i størrelse. Brintatomerne kan skiftes kontrollerbart mellem to forskellige konfigurationer ved at påføre en spændingsimpuls. Denne såkaldte tautomerisering påvirker ladningsfordelingen i molekylet, som omfordeler sig selv mellem modstående ben af ​​molekylerne, når brintatomerne skifter placering.

Ved at bruge KPFM, det lykkedes forskerne at afbilde de forskellige ladningsfordelinger for de to stater. For at opnå submolekylær opløsning, en høj grad af termisk og mekanisk stabilitet og atomær præcision af instrumentet var påkrævet i løbet af eksperimentet, som varede flere dage. I øvrigt, tilføjelse af blot et enkelt kuliltemolekyle til toppen af ​​spidsen forbedrede opløsningen meget. I 2009 holdet har allerede vist, at denne modifikation af spidsen tillod dem at løse "anatomien" - de kemiske strukturer - af molekyler med AFM. De nuværende eksperimentelle resultater blev bekræftet af første-princippets tæthedsfunktionsteori-beregninger udført af Fabian Mohn sammen med Nikolaj Moll fra Computational Sciences-gruppen hos IBM Research – Zürich.

Skub grænserne for nanovidenskab med scanningssondeteknikker

"Med fremkomsten af ​​scanning probe mikroskopi og relaterede teknikker i 1980'erne, døren til nanoverdenen blev skubbet på vid gab, ” stod der i den indledende artikel i den første udgave af Nature Nanotechnology i 2006***.

STM og dets afkom AFM er de to arbejdsheste inden for atom- og molekylærskalaforskning. STM, som blev opfundet af Gerd Binnig og Heinrich Rohrer ved IBM Research – Zürich i 1981, tillod videnskabsmænd for første gang at afbilde individuelle atomer på en overflade. Det revolutionære mikroskop, som de to videnskabsmænd modtog Nobelprisen i fysik for i 1986, har udvidet grænserne for vores viden ved at afsløre egenskaberne af overflader og molekyler eller atomer adsorberet derpå med atomopløsning.

STM, imidlertid, er ikke et traditionelt mikroskop. I stedet for at vise et direkte billede, den bruger en meget skarp spids - der kun har et enkelt eller nogle få atomer i spidsen - til at scanne overfladen af ​​et materiale. Ved at bringe spidsen meget tæt på prøveoverfladen og påføre en forspænding, en strøm af strøm kan måles mellem spidsen og prøven på grund af den kvantemekaniske effekt af elektrontunneling. At holde denne tunnelstrøm konstant og registrere spidsens lodrette bevægelse hen over overfladen gør det muligt at studere overfladens struktur, atom for atom. Se video demonstration

STM kan endda bruges til at manipulere individuelle atomer og molekyler. I 1989, IBM-forskeren Don Eigler brugte i et berømt eksperiment sin nyudviklede lavtemperatur-STM til at placere 35 xenon-atomer til at stave "IBM". Se video demonstration

I 1985, AFM blev opfundet af Gerd Binnig. I stedet for at måle en tunnelstrøm, AFM bruger en skarp spids fastgjort til en cantilever til at måle de små kræfter mellem spidsen og prøven for at skabe et billede. Se video demonstration

Efterhånden som STM og AFM udviklede sig, deres evner og relaterede scanningssondeteknikker har i høj grad forbedret videnskabsmænds evner til at udforske en bred vifte af strukturer og egenskaber i atomare skala. De tilbyder et fantastisk potentiale for prototyping af komplekse funktionelle strukturer og til at skræddersy og studere deres elektroniske og kemiske egenskaber på atomær skala, som vil være afgørende for at skabe nye enheder og systemer i nanoskala, der vil overgå dem, der findes i dag inden for informationsteknologi, medicin, miljøteknologier, energiindustrien og videre.